Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 2, стр. 56-66

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время изучаются различные аспекты изменений геокриологических условий криолитозоны и ее ландшафтов в связи с климатическими изменениями [8, 9, 12. и др.]. Однако изменение морфологической структуры ландшафтов криолитозоны рассматривалось в сравнительно небольшом числе работ, как правило, эти исследования касались изменения заозеренности ландшафтов, включая инвентаризацию количества и площадей озер, и иногда их динамики [5–7, 13]. Авторами работ [10, 11] сделана не вполне удачная попытка подобрать функцию, описывающую распределения площадей озер. Современные средства обработки космической съемки позволяют работать с большими площадями, чему посвящено большое количество исследований [13–15]. Однако очень малое количество исследований посвящено изменению количественных характеристик морфологической структуры ландшафтов криолитозоны. Крайне редко исследователи предлагали модели, описывающие поведение количественных характеристик морфологических структур.

Цель настоящего исследования – количественный анализ изменения морфологической структуры одного из наиболее распространенных типов ландшафтов криолитозоны – термокарстовых равнин.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование охватило два вида наиболее распространенных ландшафтов термокарстовых равнин:

− озерно-термокарстовые равнины,

− эрозионно-термокарстовые равнины.

Методика изучения изменения морфологической структуры изучаемых ландшафтов включала следующие этапы:

− выбор параметров для сравнения морфологической структуры изучаемых ландшафтов в различное время на основе соответствующей модели;

− выбор эталонных участков по данным дистанционного зондирования, литературным и иным источникам и выделение термокарстовых озер как наиболее мобильных элементов морфологической структуры исследуемых ландшафтов в пределах ключевых участков;

− сравнение эмпирических распределений площадей термокарстовых озер за два срока для каждого участка на основе статистического критерия Смирнова;

− сравнение значений параметров морфологических структур ландшафта каждого участка за разные сроки;

− анализ выявленных тенденций.

Выбор участков осуществлялся по материалам космической съемки, литературным и картографическим данным. Главным требованием являлась генетическая, ландшафтная и морфологическая однородность, его соблюдения достигалось путем анализа снимков и дополнительных источников информации. Подбор материалов дистанционных съемок эталонных участков озерно-термокарстовых равнин и эрозионно-термокарстовых равнин осуществлялся с учетом необходимости обеспечения двух сроков съемки каждого участка, обеспечения возможно большего интервала между съемками, максимизации пространственного разрешения материалов дистанционных съемок.

При исследовании использовались следующие материалы космической съемки:

− архивные снимки Corona с разрешением 3–12 м/пикс, даты съемки – июнь–август 1965–1976 гг.;

− современные снимки со спутников IKONOS, QuickBird, Worldview 2, Geoeye-1, Pleidas, SPOT-5, SPOT-6 высокого разрешения 0.5–2.5 м/пикс, полученные как из открытых источников (Google earth, yandex maps, Bing), так и специально приобретенные (ИТЦ СКАНЭКС).

В итоге был сформирован комплекс материалов аэро- и космических съемок для решения поставленных задач. Более детальные характеристики используемых съемок приведены в табл. 1.

Выделение термокарстовых озер и определение их площади производилось на базе геоинформационной системы ARCGIS как автоматизированным методом, так и в ручном режиме. При этом использовались известные дешифровочные признаки термокарстовых озер [4].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Озерно-термокарстовые равнины представляют собой поверхность с пологоволнистым или пологохолмистым рельефом с развитием тундровой или лесотундровой растительности с вкраплениями термокарстовых озер. Термокарстовые озера часто имеют округлые формы и в беспорядке разбросаны по территории (рис. 1а,б). Иногда из-за слияния встречаются озера формы восьмерок или фестончатой формы.

В выполненных ранее работах показано, что распределение площадей озер озерно-термокарстовых равнин отвечает гипотезе возникновения первичных термокарстовых очагов (озер) за сравнительно короткий период [1].

Полная модель морфологической структуры озерно-термокарстовых равнин [3] содержит два свободных изменяющихся параметра, которые и следует выбрать при сравнении морфологической структуры за разные сроки:

− среднее значение логарифма площади озера a(t);

− дисперсия логарифма площади озера σ²(t).

Один из полученных ранее итогов анализа модели – площади термокарстовых озер в любой момент времени имеют логнормальное распределение:

где $t$ – время, прошедшее с начала процесса.

Для проведения исследований выбраны 8 участков разных в геоморфологическом, геокриологическом и физико-географическом отношении и расположенных в различных регионах – Таймыр, Ямал, Колымская низменность, дельта р. Лена, Аляска (рис. 2). Участки по данным государственной геологической съемки сложены песчаными дельтовыми отложениями; озерно-аллювиальными горизонтально слоистыми алевритами, переслаивающимися с песками и торфами, а также суглинками и супесями; флювиогляциальными песками и валунными суглинками; морскими отложениями, представленными пылеватыми песками, песчаными, супесчаными и суглинистыми отложениями. Для участков характерно сплошное распространение многолетнемерзлых пород.

Пример сравнения распределений площадей озер приведен на рис. 3а,б). Полное сравнение распределений для каждого участка по критерию Смирнова выполнялось помощью программы Statistica 12. Результаты приведены в табл. 2.

Сравнение параметров распределения площадей озер за два срока для озерно-термокарстовых равнин основывалось на критерии Стьюдента и критерии Фишера с учетом логнормальности распределений, результаты приведены в табл. 3 и 4.

Эрозионно-термокарстовая равнина обычно представляет собой слабоволнистую субгоризонтальную поверхность с преобладанием различной тундровой или лесотундровой растительности, в которую вкраплены озера и хасыреи, а также местами развита нечастая эрозионная сеть (рис. 4а,б). Озера часто имеют округлую форму и беспорядочно разбросаны по равнине. Хасыреи представляют собой плоскодонные и пологосклонные заторфованные понижения также изометричной формы, занятые луговой или болотной растительностью и аналогично озерам в беспорядке располагающиеся на равнине. Внутри хасыреев могут оставаться мелкие остаточные озерки по периферии и крупные озера в центральной части. В пределах хасыреев возможно новообразование мерзлоты и развитие бугров пучения. В соответствии с взглядами большинства исследователей, хасыреи образуются в результате осушения термокарстовых озер, чаще всего в результате эрозионной деятельности водотоков.

В выполненных ранее работах показано, что распределение площадей озер эрозионно-термокарстовых равнин отвечает гипотезе постоянного возникновения первичных термокарстовых очагов (озер), это может быть объяснено продолжающимся формированием новых термокарстовых озер в пределах постоянно возникающих хасыреев.

Разработанная модель морфологической структуры эрозионно-термокарстовой равнины (например, [2]) позволила показать, что при весьма общих условиях при длительном времени развития наступает состояние динамического равновесия, характеризующееся стабилизацией большинства характеристик, в частности, следующих:

− распределение площади озера (плотность распределения) при площади первичного термокарстового понижения $\varepsilon $ (интегрально-экспоненциальное распределение):

− распределение площади хасырея (экспоненциальное распределение):

− средняя плотность расположения термокарстовых озер:

− заозеренность, удовлетворяющая выражению:

где a – скорость роста среднего логарифма площади, λ – среднее число озер, возникающих в единицу времени на единице площади; γ – средняя плотность расположения истоков эрозионных форм.

Таким образом, как видно из приведенных выражений, основными формальными параметрами, полностью характеризующими все свойства морфологической структуры при ее развитии, которые определяют значения всех других количественных характеристик, являются:

− отношение плотности генерации новых термокарстовых очагов и скорости роста логарифма размера $\frac{\lambda }{a}$,

− среднее значение плотности расположения истоков эрозионных форм $\gamma $,

− площадь первичного термокарстового понижения $\varepsilon $.

Вместо данных формальных параметров при изучении изменения морфологической структуры может быть использован другой набор параметров:

− средняя площадь термокарстового озера $\overline {{{s}_{l}}} $,

− средняя плотность расположения термокарстовых озер $\eta $,

− площадь первичного термокарстового очага (последний не использовался в силу незначительного изменения).

Эти параметры, как нетрудно получить на основе приведенных соотношений, взаимооднозначно связаны с первым набором:

и в силу этого также полностью характеризуют структуру и ее изменение. Кроме того, они прямо определяются по измерениям, а значимость их изменений легко поддается статистической оценке.

Анализ изменений морфологической структуры эрозионно-термокарстовых равнин проводился на базе ключевых участков, для которых имелось два срока наблюдения (срок 1: 1961–1979 гг., срок 2: 2013–2019 гг.). Выбранные 9 участков представляют основные исследованные нами регионы криолитозоны и расположены на севере Западно-Сибирской низменности, в устье р. Лена, в Восточной Сибири, на Баффиновой Земле (рис. 5). Участки сложены аллювиально-морскими отложениями, супесями и песками, озерно-болотными образованиями, морскими отложениями, представленными желто-бурыми песками, мелко- и среднезернистыми. Для участков характерно сплошное распространение ММП.

Проведенное сопоставление распределений площадей озер за два срока позволило получить результаты, отраженные в табл. 1 и на рис. 6.

Оценим значимость различий выбранных параметров, полностью отражающих морфологическую структуру. Значения, как средней площади озер, так и плотности расположения озер представляют собой суммы большого числа случайных величин, и поэтому согласно центральной предельной теореме их распределение близко к нормальному; это позволяет нам использовать критерий Стьюдента для оценки значимости различий этих параметров (табл. 5, 6).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом проведенное исследование позволяет сделать вывод, что использование материалов космических съемок дает достоверную информацию об изменении морфологической структуры ландшафтов криолитозоны в связи с климатическими изменениями, наземными методами подобные изменения зафиксировать крайне сложно, в отличие от изменения отдельных компонентов ландшафта.

Анализ результатов обработки заставляет сделать вывод, что изменение распределений площадей термокарстовых озер эрозионно-термокарстовых равнин носит ограниченный характер.

Проверка статистических различий между выборками 1961–1979 и 2013–2019 гг. для каждого ключевого участка эрозионно-термокарстовых равнин по критерию Смирнова не выявила статистические значимые различия в распределениях площадей озер в 7 случаях из 9 (см. табл. 2), и различия наблюдаются только на двух участках. Дополнительный анализ показал, что при этом на одном из этих участков изменения носят плавный характер с сохранением интегрально-экспоненциального вида распределения площадей озер, а значит с сохранением динамического равновесия. Анализ изменений основных параметров (см. табл. 5 и 6) показывает несущественные отличия (на уровне 0.95) по критерию Стьюдента.

Морфологическая структура озерно-термокарстовых равнин, прежде всего ее количественные характеристики, которые, как вытекает из математической модели, полностью описывают эту структуру, по данным, полученным на ключевых участках, не демонстрирует в настоящее время реальной трансформации, несмотря на происходящие климатические изменения.

Действительно оценка значимости статистических различий между двумя выборками площадей термокарстовых озер за 1964–1976 и 2008–2014 гг. по критерию Смирнова для каждого ключевого участка выявила статистически значимое различие только для одного участка as3 (см. табл. 2). Сравнение параметров моделей – средних логарифмов площадей термокарстовых озер для двух сроков по каждому участку и аналогично дисперсий логарифмов площадей термокарстовых озер (см. табл. 3, 4) – показало некоторое уменьшение среднего логарифма на всех участках за исключением двух (as19, as16) и некоторый рост дисперсии на всех участках за исключением одного (as31). Однако применение статистических критериев Фишера и Стьюдента подтверждает отсутствие значимых (на уровне значимости 0.95) различий соответствующих параметров для двух сроков съемки; отличия на названном уровне значимости обнаружены только для дисперсии участка as3.

Таким образом, можно сделать вывод, что изменение морфологической структуры эрозионно-термокарстовых равнин в связи с климатическими изменениями протекает несколько более интенсивно, чем у озерно-термокарстовых равнин; изменения затронули 22% ключевых участков против 12% у озерно-термокарстовых равнин.

Представляется интересным, что ключевые участки, на которых выявлены изменения, тяготеют к полуострову Ямал, это относится и к озерно-термокарстовым и к эрозионно-термокарстовым равнинам. В целом три участка, на которых отмечаются статистически значимые изменения из 17 изученных ключевых участков термокарстовых равнин расположены на названной территории. Конечно число ключевых участков пока недостаточно для уверенных выводов, однако возможно обнаруженная приуроченность указывает на более интенсивный ход изменений именно в этом районе.

Представляется вероятным, что устойчивость морфологических структур (ландшафтного рисунка), прежде всего количественных характеристик к климатическим изменениям, несколько выше, чем отдельных компонентов ландшафта.

Различная степень изменения морфологической структуры проанализированных ландшафтов может быть объяснена тем, что на климатические изменения в первую очередь реагируют эрозионные, а не термокарстовые процессы, изменение эрозионных процессов приводит к изменению распределений площадей термокарстовых озер эрозионно-термокарстовых равнин при интенсификации их спуска и превращения в хасыреи.